航天器相对角度光学测量方法
航空航天工程师的航天器姿态测量技术
航空航天工程师的航天器姿态测量技术航空航天工程师在航天器设计和运行过程中扮演着重要的角色。
他们需要掌握各种技术，包括航天器姿态测量技术。
本文将介绍航天器姿态测量技术的原理、应用以及未来的发展。
一、航天器姿态测量技术的原理航天器姿态测量技术是指通过各种传感器和仪器来获取航天器的空间姿态参数，如位置、速度、角度等。
这些参数对于导航、控制、定位以及任务执行至关重要。
目前常用的航天器姿态测量技术包括惯性测量单元（IMU）、光学传感器、地基追踪系统、星敏感器等。
其中，IMU是最常用的传感器之一。
它通过测量航天器加速度和角速度来估计位置和姿态，具有高精度和较长时间稳定性。
二、航天器姿态测量技术的应用1. 航天器导航与控制航天器姿态的准确测量对于导航和控制至关重要。
利用姿态测量数据，工程师可以实时监测航天器的位置、速度和角度，从而调整引擎推力、姿态控制器等，确保航天器按照预定轨道飞行。
2. 卫星通信在卫星通信中，航天器姿态测量技术可以用于指导天线的指向，确保通信质量。
航天器姿态数据可以被用来确定最佳的天线方向，从而最大化信号接收和发射效率。
3. 空间科学探索在航天器进行行星探测和科学实验时，姿态测量技术可以提供准确的航天器位置和角度信息。
这对于实现探测器着陆、观测目标和采集样本非常重要。
三、航天器姿态测量技术的未来发展随着航天技术的不断进步，航天器姿态测量技术也在不断发展。
以下是一些可能的未来趋势：1. 高精度和高灵敏度未来的航天器姿态测量技术将提供更高精度和高灵敏度。
新一代传感器和算法将能够实现更准确的测量和更精细的姿态控制。
这将为航天器的运行和任务执行提供更高的稳定性和可靠性。
2. 多传感器融合航天器姿态测量可能通过融合多个传感器的数据来提高测量精度和鲁棒性。
例如，将IMU、光学传感器和星敏感器等多种传感器的测量结果进行融合，可以得到更可靠的姿态数据。
3. 自适应控制未来的航天器姿态测量技术可能会结合自适应控制方法，以适应不同工作环境和任务需求。
相对定向与绝对定向空中三角测量
实验二：相对定向和绝对定向
实验二：相对定向和绝对定向
数据记录
航摄像片3张，平交点4个
连续像对相对定向作业公式
2 F0 N 2 X 2Y2 Y2 N 2 d Z dW X 2 N 2 dK 2 bX Z1 Z2 Z2 Y2 bx d u bx dY Z2
上节回顾
模型点坐标计算：相对定向后（坐标系 是自由的，即像空间辅助坐标系），根 据前方交会计算出模型点的坐标。目的 是为绝对定向准备。 绝对定向：掌握绝对定向元素定义和意 义，及基本公式。了解数学模型的解法 －－重心化解法。
实验二：相对定向和绝对定向
实验项目
多倍投影测图仪（相对定向和绝对定向）
实验结论及问题讨论
实验二：相对定向和绝对定向
双像投影测图的原理，实际为投影过程的几何 反转 在进行连续像对的投影测图时，第二张由第一张 定位，第三张由第二张定位，以次类推，但实际 上都是以第一张 在模型的四角标注四个平交点，并调节角螺旋 使图上的四个点与相应模型上的四个点完全重合： 在三个投影器上装入航摄像片； 固定左投影器，分别动螺旋，再用消除上下视 差以达到相对定向的目的； 经过定向后，戴上左右相应的红绿互补色眼镜， 可视察出空间的立体模型； 改变投影基线的长度，调整模型比例尺，用公 共倾角φ，ω置平模型达到绝对定向； 当完成绝对定向和相对定向后，将图纸固定在 绘图桌上，进行量测和测图。
实验目的
了解多倍仪的工作原理和结构 学会使用多倍仪绘图、相对定向和绝对定向
实验仪器：
多倍仪、立体眼镜、航摄影片
原理概述
实验二：相对定向和绝对定向
将像片P1与P2装到与摄影机相同的两个投影箱内， 保持两投影机的方位与摄影时方位相同，但物镜间 的距离缩小，即投影器S2移到S2处，S1与S2间距变 小，此时投影基线为S1S2=b，在投影器上，经参数 改正后，用聚光灯照明，则两投影器光束所有同名 光线人对对相交，构成空间的各个交点，所有这些 交点的集合，构成与地图面相似的光学立体模型。
光学测距原理
光学测距原理光学测距是利用光学原理进行距离测量的一种方法。
光学测距原理主要包括三种方法，三角测距法、相位测距法和飞行时间测距法。
下面将分别介绍这三种方法的原理及其应用。
三角测距法是一种基本的光学测距方法，它利用光学仪器测量目标与测量仪之间的角度，通过三角函数关系计算出目标与测量仪之间的距离。
这种方法适用于需要测量远距离的场合，如地理测量、导航定位等。
其原理简单，测量精度高，但受到天气、光线等环境因素的影响较大。
相位测距法是利用光波的相位变化来测量距离的一种方法。
当光波从发射器发出后，经过一定距离后再被接收器接收，根据光波的相位变化来计算出目标与测量仪之间的距离。
这种方法适用于需要高精度测量的场合，如工业制造、光学测量等。
其原理复杂，但测量精度高，受环境因素影响小。
飞行时间测距法是利用光波的飞行时间来测量距离的一种方法。
当光波从发射器发出后，经过一定距离后再被接收器接收，根据光波的飞行时间来计算出目标与测量仪之间的距离。
这种方法适用于需要实时测量的场合，如激光雷达、遥感测量等。
其原理简单，测量速度快，但受环境因素影响较大。
在实际应用中，光学测距原理常常与其他技术相结合，以满足不同场合的测距需求。
例如，在无人驾驶领域，激光雷达常常采用飞行时间测距法进行障碍物检测和距离测量；在工业制造领域，相位测距法常常用于精密测量和三维成像；在地理测量领域，三角测距法常常用于地图绘制和导航定位。
总的来说，光学测距原理是一种重要的测距方法，它在各个领域都有着广泛的应用。
随着科技的不断进步，光学测距技术也在不断发展，将会为人类的生产生活带来更多的便利和效益。
空中三角测量技术的原理与实施步骤
空中三角测量技术的原理与实施步骤近年来，空中三角测量技术在测绘和地理空间信息领域得到了广泛应用。
该技术以无人机为平台，利用航摄仪器和遥感图像处理技术，能够高效快速地获取大范围地表信息，为人们提供了全新的测量手段。
本文将探讨空中三角测量技术的原理及其实施步骤。
首先，要了解空中三角测量技术的原理，我们需要知道它的核心概念：视差。
视差是指同一对象在不同视点下的位置差异。
在空中三角测量中，通过在不同角度下获取同一区域的图像，利用图像间的视差信息进行三角测量和地形数据的重建。
这种技术基于视差原理，可以实现对地表特征的高精度测量。
实施空中三角测量技术的第一步是规划飞行任务。
在规划飞行任务时，需要确定测区范围、飞行高度、图像采集方式以及地面控制点的布设。
飞行高度的选择与测区的要求和无人机的性能有关，通常在保证安全的前提下，能够提供足够的分辨率的高度为宜。
对于地面控制点布设，应该选取在测区内分布均匀、易于观测的点，以提高后续数据处理的精度。
接下来是飞行数据的采集与处理。
无人机飞行时携带航摄仪器，通过摄像机对地表进行连续曝光，获取一系列图像。
这些图像需要经过预处理，包括去畸变、配准、校正等操作，以提高数据的精度和一致性。
其中，去畸变是重要的一步，因为摄像机的镜头畸变会导致图像失真，影响后续的数据分析和处理。
在图像处理完成后，就可以进行视差计算和三角测量。
视差计算是利用对应点的图像坐标来计算视差值，从而得到地表高程或地形数据。
而三角测量是将视差信息与地面控制点联合使用，通过几何关系计算出各个点的坐标和地形高度。
这个过程需要借助大量的数学算法和计算模型，以保证计算结果的精度和准确性。
最后，得到测量结果后，还需要进行数据分析和可视化展示。
通过地形数据的分析，可以获得更多的地貌特征和地理信息，为地质勘探、灾害监测等提供有力依据。
同时，通过可视化展示，可以将测量结果以图像或模型的形式呈现，提供给使用者更直观的观察和理解手段。
光学测量方法
光学测量方法光学测量方法是一种利用光学原理进行测量和检测的技术手段。
它通过使用光线与被测量对象相互作用，利用光的传播和反射特性来获取被测量对象的信息。
光学测量方法在科学研究、工业制造和生命科学等领域具有广泛应用。
本文将介绍几种常见的光学测量方法，包括激光测距、衍射测量和干涉测量。
一、激光测距激光测距是一种利用激光束测量距离的方法。
其原理是将激光束发射到被测量对象上，通过测量激光束的发射和接收时间差来计算出距离。
激光测距具有高精度、长测距范围和非接触性的特点，广泛应用于建筑、制造业和地理测量等领域。
二、衍射测量衍射测量是一种利用光的衍射现象进行测量的方法。
当光通过物体边缘或孔径时，会发生衍射现象，产生衍射图样。
通过观察和分析衍射图样，可以获得被测量对象的信息，如物体的大小、形状和表面粗糙度等。
衍射测量广泛应用于光学显微镜、天文望远镜和X射线衍射仪等领域。
三、干涉测量干涉测量是一种利用光的干涉现象进行测量的方法。
当两束或多束光线相交时，会产生干涉现象。
通过观察和分析干涉图样，可以获取被测量对象的信息，如厚度、形状和折射率等。
干涉测量具有高精度和高灵敏度的特点，广泛应用于表面质量检测、光学薄膜测量和光学干涉仪等领域。
四、光学相干层析成像光学相干层析成像是一种利用光学相干层析技术进行图像重建的方法。
它通过使用干涉测量原理，测量多个方向上的光学干涉信号，并通过计算重建出被测量对象的三维结构图像。
光学相干层析成像具有非破坏性、高分辨率和无需标记的优点，广泛应用于医学影像学、材料检测和生物医学等领域。
总结：光学测量方法是一种利用光学原理进行测量和检测的技术手段。
激光测距、衍射测量、干涉测量和光学相干层析成像是常见的光学测量方法。
它们各自具有不同的原理和应用领域，可以满足不同需求的测量和检测任务。
随着科学技术的不断发展，光学测量方法将在更多领域发挥重要作用，推动科学研究和工业制造的进步。
角度测量的原理及其方法讲解
角度测量的原理及其方法角度测量原理一、水平角测量原理地面上两条直线之间的夹角在水平面上的投影称为水平角。
如图3-1所示，A、B、O为地面上的任意点，通OA和OB直线各作一垂直面，并把OA和OB分别投影到水平投影面上，其投影线Oa和Ob的夹角∠aOb，就是∠AOB的水平角β。
如果在角顶O上安置一个带有水平刻度盘的测角仪器，其度盘中心O′在通过测站O点的铅垂线上，设OA和OB两条方向线在水平刻度盘上的投影读数为a1和b1，则水平角β为：β= b1 - a1(3-1)二、竖直角测量原理在同一竖直面内视线和水平线之间的夹角称为竖直角或称垂直角。
如图3-2所示，视线在水平线之上称为仰角，符号为正；视线在水平线之下称为俯角，符号为负。
图3-1 水平角测量原理图图3-2 竖直角测量原理图如果在测站点O上安置一个带有竖直刻度盘的测角仪器，其竖盘中心通过水平视线，设照准目标点A时视线的读数为n，水平视线的读数为m，则竖直角α为：α= n - m (3-2)光学经纬仪一、DJ6级光学经纬仪的构造它主要由照准部(包括望远镜、竖直度盘、水准器、读数设备)、水平度盘、基座三部分组成。
现将各组成部分分别介绍如下：１．望远镜望远镜的构造和水准仪望远镜构造基本相同，是用来照准远方目标。
它和横轴固连在一起放在支架上，并要求望远镜视准轴垂直于横轴，当横轴水平时，望远镜绕横轴旋转的视准面是一个铅垂面。
为了控制望远镜的俯仰程度，在照准部外壳上还设置有一套望远镜制动和微动螺旋。
在照准部外壳上还设置有一套水平制动和微动螺旋，以控制水平方向的转动。
当拧紧望远镜或照准部的制动螺旋后，转动微动螺旋，望远镜或照准部才能作微小的转动。
２．水平度盘水平度盘是用光学玻璃制成圆盘，在盘上按顺时针方向从0°到360°刻有等角度的分划线。
相邻两刻划线的格值有1°或30′两种。
度盘固定在轴套上，轴套套在轴座上。
水平度盘和照准部两者之间的转动关系，由离合器扳手或度盘变换手轮控制。
光学三角法测量原理及应用
光学三角法测量原理及应用光学三角法是一种常用的测量方法，用于测量物体之间的距离或角度。
它基于光的传播性质以及几何关系，使用光束的反射、折射、干涉等现象来进行测量。
光学三角法测量原理主要包括两个基本原理：光线的传播原理和几何三角形原理。
光线在一定介质中传播时会发生折射现象，即光线在介质边界上的入射角和折射角之间满足斯涅尔定律。
而几何三角形原理则是应用三角形的几何关系来求解未知量。
光学三角法的应用十分广泛，主要包括测量距离、测量角度和测量高度等。
以下分别介绍这些应用场景。
首先是测量距离。
光学三角法通过测量两个点到视线上的物体的夹角来计算两点之间的距离。
例如，在航海中，使用望远镜观察物体的水平视角，并测量物体与水平线之间的夹角，然后利用三角形关系计算物体与观察者的距离。
测量距离时需要注意光线传播的速度，通常使用的是光的传播速度通过折射率计算得到的。
其次是测量角度。
光学三角法也可用于测量角度。
例如，在地理测量中，通过望远镜观察天体的方位角和高度角来确定测量点的经纬度。
测量角度时需要注意光线的传播方向，通常需要使用一些光学仪器进行精确测量。
另外，光学三角法还可以用于测量高度。
例如，在建筑测量中，使用光学仪器测量地面上某一点与建筑物顶端的角度，并结合三角形关系计算出建筑物的高度。
这种方法在测量高楼大厦以及山峰等高度时非常实用。
此外，光学三角法还可以应用于地质测量、导航定位、地图制作等领域。
例如，在地质测量中，通过观测地表地物与地平线之间的夹角来计算山体的高度；在导航定位中，使用光学仪器测量天体的仰角和方位角，结合已知的天体位置数据，可以确定观察者的位置和方向；在地图制作中，通过测量地标物点的位置和距离，可以确定地图的比例尺。
总结来说，光学三角法是一种基于光线传播和几何关系的测量方法，广泛应用于距离、角度和高度的测量。
它的原理简单明了，可靠性高，并且适用于多个领域。
尽管现代测量技术不断进步，出现了更加精确和高效的测量方法，但光学三角法作为一种传统的测量方法仍然具有一定的实际应用价值。
用望远镜测高低角度的原理
用望远镜测高低角度的原理望远镜是一种光学仪器，可以通过放大物体的影像来观察远处的景物。
在测量高低角度时，望远镜常用于测量天文学、地理学和工程测量等领域。
测量高低角度的原理基于望远镜的光学系统和测量设备的结合。
望远镜通常由一个物镜和一个目镜组成。
物镜负责收集并聚焦光线，目镜则负责放大收集到的光线，使其变得更加清晰可见。
在测量角度时，望远镜通常会使用水平仪或电子垂直仪来校正水平。
这样可以确保望远镜的基准线与地平线平行，从而减小误差。
测量高低角度所需要的一些关键参数包括：视场角、放大倍率以及有关误差的校正。
视场角是指在目镜视野内能够观察到的水平和垂直范围。
放大倍率则是指目镜相对于物镜的放大比例。
误差校正是指在测量过程中对仪器进行校准，以确保测量结果的准确性。
测量高低角度的基本步骤如下：1. 将望远镜放置在稳定的支架上，确保其水平。
2. 首先进行基准校准。
使用水平仪或电子垂直仪调整望远镜的水平位置，使基准线与地平线平行。
3. 选择一个要测量的目标物，将其对准在目镜中心。
4. 使用目镜上的放大倍率刻度，确定目标物在目镜中的所占角度。
5. 使用目镜上的垂直刻度，测量目标物相对于地平线的高低角度。
6. 将测量结果记录下来，可以进一步进行计算和分析。
需要注意的是，在测量高低角度时，望远镜的放大倍率要适当选择，过高或过低的放大倍率都可能导致测量结果的误差。
此外，测量时环境的光线和天气条件也可能对测量结果产生影响。
例如，太阳的光线会干扰望远镜的观测，使图像模糊或者产生反射。
因此，在测量时应选择光线充足的环境，并尽量避免遮挡物的干扰。
总而言之，望远镜测量高低角度的原理是利用望远镜的光学系统和测量设备的结合，通过测量目标物相对于地平线的高低角度来确定其位置。
在测量过程中，需要校准水平，选择适当放大倍率，并考虑光线和天气条件等因素，以确保测量结果的准确性。
基于双焦单目视觉的航天器间相对位姿确定算法
定 义在 目标航 天器 的特征 点上 ，坐标 轴可 以依据 所
需 特 征 光 点 的 几 何 关 系 设 定 ， 由 于 本 文 采 用 的 ３个 特 征 光 点 ｓ ，Ｓ，Ｓ 构 成 “ 。 Ｔ” 形 ，故 坐 标 系 如 图 １ 所示设 定 。
２ ）摄 像 机 坐 标 系 ０ｃ ｙ ｚ ｘｃ ｃ：原 点 ０ ｃ作 为
获取两个航 天器之 问的距离 ，然后对 ５个约束 方 程进行 变 量替换 求 出相对 位置 和姿 态参数 的解 析解 ，
从 而有效解 决了文献 Ｅ ２ 中的多值 问题 和奇异值 问题 。同时 ，对所求得 的解 析解进行修正 。 １］
２ 单 目视 觉 相 对位 姿 确定 算 法
为 了分 析 问题方 便 ，建立 了如 图 １所 示 的 ３种 坐 标 系 ： 目标航 天 器 坐标 系 ０ Ｘ Ａ，摄 像 ｙ Ｚ 机 坐标 系 ０ ｙ Ｚ Ｘ 和 图像平 面 坐标 系 ０ 【 ， 各 坐标 系定 义如下 ： ，
ＤＯＩ １ ． ７ ０ ｊ ｉｓ ． ０ ０ ７ ８ ２ １ ． ４ ０ ６ ： ０ ３ ８ ／． ｓ ｎ １ ０ — ５ Ｘ． ０ ２ ０ ． ０
１ 引 言
利用 计 算机视 觉 进行 空问 目标 物位 姿估计 是 光学 测量 方 向和航 天 工 程等 领 域 的研 究热 点 之 一 。 基 于视觉 的 相对位 姿 确定方 法 在 机器 人 视 觉 伺 服 、卫 星 编 队 和航 天 器 交会 对 接 等 方 面有 广 泛 的应 用＿ ］ ｌ ，在航 天 器空 间交会 的最后 阶段 ，通 常采 用 Ｃ Ｄ相 机完 成追 踪航天 器 与 目标 航天器 间 的相对 Ｃ
（ 南 京 航 空 航 天 大 学 机 电学 院 ，南 京 ２ ０ １ ） （ 南 京 航 空 航 天 大 学 航 天 学 院 ，南 京 ２ ０ １ ） １ １ ０ ６ ２ １ ０ ６
角度测量技术及应用
角度测量技术及应用角度是我们生活中常见的一个概念，它用来描述物体在二维或三维空间中相对于某个参考点的偏转程度。
对于许多行业来说，准确测量和控制角度是非常重要的，比如建筑、航空航天、机械制造等。
为了满足需求，角度测量技术应运而生。
一、传统角度测量工具在过去，人们使用传统的角度测量工具来测量角度，比如量角器和光学测量仪器。
量角器是一种简单的工具，通过直观读数的方式来测量角度。
然而，由于量角器的读数受限于人眼的准确度，无法精确到小数位数。
光学测量仪器则使用光学原理，比如卡尔斯顿测量仪、测角仪等，可以提供更高的测量精度。
但它们的使用通常需要专业技能和较长的测量时间。
二、现代角度测量技术随着科技的进步，现代角度测量技术的出现使得角度测量更加精确、高效且便捷。
其中，最常见的是使用惯性测量单元（IMU）的惯导系统。
IMU是由加速度计和陀螺仪组成的传感器装置，通过测量物体的加速度和角速度来计算出角度。
IMU技术在导航、无人飞行器等领域发挥着关键作用。
另外，全站仪也是一种广泛运用的角度测量设备。
全站仪是一种集光学测距、角度测量和坐标计算于一体的高精度仪器。
通过将全站仪固定在测量点上，可以通过测量镜头的旋转角度来计算出目标物体的角度。
全站仪的测量精度高，且操作简单，广泛用于建筑测量、地质勘探等领域。
三、角度测量的应用角度测量技术在许多领域中发挥着重要的作用。
首先，建筑测量中的角度测量是至关重要的。
建筑师需要准确测量墙壁、屋顶等构件的角度，以确保建筑结构的稳定和平衡。
角度测量还可用于确定建筑物的倾斜度和水平度，以及测量建筑物的角度变化和变形。
其次，角度测量在航空航天领域也非常重要。
飞机、火箭等航天器的姿态控制需要精确测量和控制角度。
借助现代的角度测量技术，航天器可以更好地控制其飞行姿态，确保航行的稳定性和安全性。
此外，在机械制造和加工领域，角度测量也扮演着重要角色。
在机床上，通过测量工件和刀具的夹角，可以确保刀具的位置正确，从而获得更高的加工精度。
空间飞行器交会对接相对位置和姿态的在轨自检校光学成像测量算法
在 两个 空 间 飞行 器 进 行 交会 对接 的最 后 阶段 ， 通 常采用 光学 成像 敏感 器来测 量跟 踪 飞行器 和 目标 飞行 器 之间 的相对 位置 和姿态 。在 目标 飞行 器上 布 设和 安 装 光 学 特 征 点 ， 跟 踪 飞 行 器 上 安 装 面 阵 在 Ｃ Ｄ传感 器 ， Ｃ 光学 特征 点 的几 何形 状 、 尺寸 和位置 已 知 ， 过对 特征 点在 Ｃ Ｄ上 成 像 的分 析 和计 算 就 可 通 Ｃ
１ 测 量 原 理
模型 的线性 化公 式 ） － 其 必然 存 在 一定 的模 型误 ［ ， ２
差 。一 般认 为迭 代 算 法 是解 决 问题 的 良好 途 径 ， 但 迭代算 法 的稳定 性 和 可靠 性 相 对 较 低 ， 如这 类 算 法 对初值 依赖性 高 ， 良的 初 始值 会 导 致 算 法不 收敛 不 从 而得 不到 正确 的测量 值 。 现 有 文献 提 出的方 案 均 有一 个 假 设前 提 ， 即相
收 稿 １ ：０６０ ．９ 修 回 １期 ：０６０ ． ３期 ２０ －６０ ； ３ ２０ －９３ ０
维普资讯
１ ６
宇 航 学 报
第 ２ 卷 ８
图 ２ 像 平 面坐 标 系 与 相 机 主 点
况 ， 出 了一 种 单 Ｃ Ｄ在 轨 自检 校 光学 测 量 方 案 ， 主 要 特 点是 飞行 器 在 执行 测 量 任务 时 ， 同 时 进 行 相 机 内 参 数 提 Ｃ 其 可 的 自检 校 。首 先 根 据 严 格 的 中 心 投 影 共 线 条 件 方 程 ， 导 出 目标 飞 行 器 光 学 特 征 点 坐 标 和 对 应 的像 点 坐 标 与 内参 推
数 及 相 对 位 置 和 姿 态 的 严 格 解 析 关 系 ； 后 建 立 了 内 参 数 及 相 对 位 置 和 姿 态 的解 析 表 达 式 ； 出 了 目标 航 天 器 上 然 提
基于菲涅尔双棱镜的在轨小角度测量方法
基于菲涅尔双棱镜的在轨小角度测量方法引言：在航天器的设计与运行过程中，对于航天器的定位和导航是至关重要的。
而精确的小角度测量是保证航天器定位和导航精度的关键技术之一。
本文将介绍一种基于菲涅尔双棱镜的在轨小角度测量方法，该方法具有较高的测量精度和稳定性。
一、菲涅尔双棱镜的原理菲涅尔双棱镜是一种基于光学原理的测量设备，它由两个平行的棱镜组成，每个棱镜都有一定的折射率。
当光线通过双棱镜时，由于两个棱镜的折射作用，光线的传播方向会发生偏转。
通过测量光线的偏转角度，可以得到被测量物体的角度信息。
二、菲涅尔双棱镜在航天器中的应用菲涅尔双棱镜在航天器中常用于小角度测量，例如航天器的姿态角度、目标物体的相对位置等。
它具有结构简单、体积小、重量轻等优点，适用于航天器的空间环境。
三、在轨小角度测量方法在轨小角度测量的关键在于如何精确地测量光线的偏转角度。
基于菲涅尔双棱镜的测量方法可以实现高精度的小角度测量。
1. 光源的选择在测量过程中，需要选择适合的光源。
一般情况下，可以选择激光器作为光源，激光器具有较好的方向性和单色性，能够提供稳定的光信号。
2. 菲涅尔双棱镜的安装将菲涅尔双棱镜安装在需要进行测量的物体上，保证双棱镜的平行度和垂直度。
同时，需要保证光线能够正常通过双棱镜。
3. 光线的传播和偏转当光线通过菲涅尔双棱镜时，会发生折射和偏转。
利用光学原理，可以计算出光线的偏转角度，并将其与被测角度进行对比。
4. 光信号的接收和处理通过光电传感器接收光信号，并将其转化为电信号。
然后，利用电子测量设备对电信号进行处理和分析，得到被测角度的准确数值。
5. 测量精度的提高为了提高测量精度，可以采取一些措施。
例如，增加光电传感器的灵敏度，降低光源的噪声干扰，提高菲涅尔双棱镜的制造精度等。
四、小角度测量的应用领域基于菲涅尔双棱镜的小角度测量方法在航天器的定位和导航中具有广泛的应用。
它可以用于测量航天器的姿态角度、目标物体的相对位置等。
角度测量的几种光学方法
角度测量的几种光学方法
光学测量角度是全自动仪器测量技术中常用的一项技术，用于测量准确的角度。
目前光学测量角度的方法有：特征点算法、折射率变换法、阶梯式像差法、颠簸解析法、位移测量技术。
首先，特征点算法是一种常用的光学测量角度的方法，它的原理是使用引导线的垂直边，使用特征点识别算法，根据图像上的响应特征点，获得所测量角度的值，从而实现对光学角度的测量。
其次，折射率变换法是-种常用的仪器测量技术，根据折射率变换原理，通过光照均匀的发送物体表面，观察物体表面折射率变化，得到所测角度。
这种方法准确率高，测量精度较高。
此外，阶梯式像差法利用物体表面反射光来检测所测物体的角度，通过表面反射的光线的相干性，可以通过计算获得所测角度的值，从而实现对角度的测量。
还有颠簸解析法，该方法是利用物体表面的反射光的一些参数，通过将角度的变化反映在光斑的位置，通过测量物体表面反射光斑变化，得到所测角度的值，从而实现对角度的测量。
最后，位移测量技术是一种采用机械力学原理来实现角度测量的技术，它实现了将物体表面设计成防滑力学夹，以确保角度测量的精准，它的优势就是位移测量的简便，它可以高效准确的测量角度，同时节省时间和成本。
总之，特征点算法、折射率变换法、阶梯式像差法、颠簸解析法、位移测量技术是目前常用的5种仪器测量技术，它们各具特点，可以实现不同精度的角度测量，为后续应用服务，提高工程应用效率。
航空摄影测量中的相对定向原理与实现方法
航空摄影测量中的相对定向原理与实现方法航空摄影测量是一种先进的测绘技术，借助航空器进行摄影和影像获取，通过对图像进行分析和处理，实现对地表地物的测量和制图。
而在航空摄影测量中，相对定向原理与实现方法是非常重要的一部分。
相对定向原理指的是通过对航空摄影机的观测数据进行处理，确定摄影机在空间中的相对位置和姿态信息。
相对定向的目的是建立摄影测量的空间框架，将图像从摄影坐标系转换为地面坐标系，从而实现后续的地物测量工作。
在进行相对定向时，首先需要获取摄影机的内外方位元素。
内方位元素包括焦距、主点位置和畸变参数，它们表征了摄影机的内部特性，是进行摄影测量必不可少的参数。
外方位元素则包括摄影中心在地面坐标系中的位置和摄影机的姿态信息，它们描述了摄影机相对于地面的位置和朝向。
而相对定向的实现方法主要有两种，即平差法和解析法。
平差法是一种基于数学模型的相对定向方法，通过对摄影测量过程中的几何方程进行求解，得到摄影机的外方位元素。
平差法的关键是建立一个数学模型，包括摄影几何关系以及摄影机和地面点之间的几何关系。
通过将这些关系用方程表示，并结合观测数据进行求解，可以得到摄影机的外方位元素。
解析法则是一种基于特定几何关系的相对定向方法，它利用已知的相对定向控制点（即已知坐标的地面点）和摄影测量的控制点之间的特定几何关系，通过解析计算得到摄影机的外方位元素。
平差法和解析法各有优劣。
平差法可以充分利用观测数据，通过最小二乘法进行求解，具有较高的精度和稳定性。
但是，平差法的计算过程比较复杂，需要较高的计算能力和算法实现。
解析法则相对简单，计算速度快，适用于一些相对简单的场景。
但是，解析法的精度受到控制点布设的限制，对控制点的准确性要求较高。
除了相对定向原理与实现方法外，航空摄影测量中还有许多其他的关键技术和流程。
比如，影像配准是航空摄影测量的重要环节之一，指的是将不同摄影帧的影像进行几何校正，使其达到坐标和尺度上的一致。
影像配准是准确测量和制图的基础，对于航空摄影测量的精度和可靠性具有重要影响。
测绘技术中的角度测量方法
测绘技术中的角度测量方法在测绘领域，角度测量是一项重要的技术手段，用于确定地理位置、绘制地图和测量地物之间的相对位置关系。
本文将介绍几种主要的角度测量方法，并探讨其应用与限制。
一、光学测角法光学测角法是指利用光线的反射或折射原理来测量角度的方法。
其中最常用的方法是经纬仪的使用。
经纬仪通过望远镜来观测目标点，并通过旋转仪器来测量目标点与参考点之间的水平角度和垂直角度。
这种方法具有测量精度高、灵活性好的特点，适用于各种测绘任务。
然而，光学测角法也存在一些局限性。
首先，测角时需要考虑光线的反射或折射效应，这可能导致测量误差。
其次，光学仪器的使用需要在光线充足的条件下进行，不适用于夜间或恶劣天气下的测量工作。
因此，在某些特殊情况下，我们需要借助其他角度测量方法。
二、电子测角法电子测角法是利用电子设备来测量角度的方法。
其中最常见的是全站仪。
全站仪通过自动追踪目标点并记录角度数据，可以快速高效地完成角度测量任务。
与光学测角法相比，电子测角法无需考虑光线的影响，因此在夜间或恶劣天气下也能正常工作。
然而，电子测角法也存在一些限制。
首先，全站仪的使用需要一定的专业知识和技能。
其次，由于电子测角法需要依赖电池供电，长时间的使用可能会导致电池电量不足，影响测量工作。
因此，在实际应用中，我们需要根据具体情况选择合适的测量方法。
三、GPS测角法GPS（全球定位系统）测角法是利用卫星信号来测量角度的方法。
GPS接收器可以通过接收多颗卫星的信号并计算其之间的角度差，从而确定目标点的角度。
GPS测角法具有定位精度高、操作简单的特点，适用于室外测绘任务。
然而，GPS测角法也存在一些限制。
首先，由于GPS信号可能受到建筑物、树木等物体的遮挡，会影响信号接收的质量，从而导致测量误差。
其次，GPS测角法在室内或城市高楼密集区域的测量效果可能会较差。
因此，在选择测角方法时，我们需要综合考虑实际情况。
综上所述，测绘技术中的角度测量方法有光学测角法、电子测角法和GPS测角法等。
光束法空中三角测量
光束法空中三角测量光束法是一种利用光束进行空中三角测量的方法。
在此方法中，光束的传播路径被测量并用于确定观测者与目标之间的距离和方向。
基本原理在光束法中，光束被从观测点发射出去，穿过被测目标（如建筑物）并反射回观测点。
观测者可以通过记录光束的传播时间和光束反射的位置来计算目标的距离和方向。
具体来说，观测者首先在观测点上安装一个激光器，发射光束。
光束会穿过被测目标并反射回观测点，然后被一个接收器接收。
观测者可以记录下发射和接收光束时刻的时间戳，用来计算光束的传播时间。
此外，观测者还需要记录下光束的反射位置（这可以通过对反射光束进行测量来实现），并用这些数据计算出目标的距离和方向。
应用光束法广泛应用于航空、航天、土木工程、建筑学等领域，包括以下应用：1. 建筑物高度测量：在建筑学中，光束法可以用于测量建筑物的高度和形状。
使用者可以利用这些数据来计算建筑物的体积、面积和其他参数。
2. 桥梁设计和监测：光束法可以用于桥梁的设计和监测。
使用者可以使用光束法来计算桥梁的长度、高度和其他参数，并对桥梁进行监测，以确保它们的结构完整性并及时发现任何问题。
3. 土地测量和地形建模：光束法可用于测量大面积的土地，比如森林、沙漠等地区。
使用光束法可以绘制出这些区域的地形模型，并用于各种目的，如地图绘制、旅游规划等。
优点与传统的测量方法相比，光束法具有以下优点：1. 高精度：光束法可以提供高度精确的数据，这对于一些需要高精度数据的领域如航空、航天、水利、地质、建筑学等都非常重要。
2. 高效性：光束法可以快速地获得数据，运行速度快，可用于大面积的测量，且在数据收集过程中不会干扰被测目标的形态。
3. 安全性：光束法不需要在被测目标上进行操作，可减少人员在施工及观测过程中的风险。
总结光束法是一种使用光束进行空中三角测量的方法，可用于建筑物高度测量、桥梁设计和监测、土地测量和地形建模等领域。
相比传统测量方法，光束法具有高精度、高效性及安全性等优点。
光学实验技术中的角度测量与系统校准方法
光学实验技术中的角度测量与系统校准方法角度测量和系统校准在光学实验技术中是非常重要的。
角度测量是指在实验中准确测量物体或设备之间的相对角度，而系统校准则是指通过校准仪器来保证实验结果的准确性和可靠性。
本文将探讨一些常用的角度测量和系统校准方法，以及它们在光学实验技术中的应用。
首先，我们来看一些常用的角度测量方法。
其中一个常用的方法是利用角度测量仪器，如光学自动瞄准仪或显微镜等。
这些仪器通过测量物体边缘或标记点的位置来确定角度。
此外，还可以使用角度传感器，如陀螺仪或倾斜传感器等。
这些传感器可以测量设备的倾斜角度或旋转角度，并提供数字输出。
除了利用仪器进行角度测量，还有一些传统的方法可供选择。
例如，使用测角器。
测角器是一个简单的工具，由两个或多个可移动的臂组成，可以用于测量角度。
通过将臂放置在物体的边缘或标记点上，可以精确地测量角度。
此外，还可以使用投影仪和测角尺等工具进行角度测量。
接下来，我们将探讨一些系统校准方法。
系统校准的目的是消除或减小实验中的误差，以确保实验结果的准确性和可靠性。
其中一个常用的校准方法是使用标准物体或标准装置。
通过与已知精度的标准物体或标准装置进行比较，可以确定系统的误差，并进行相应的校准。
另一个常用的系统校准方法是使用校准模式。
校准模式是指通过在已知条件下进行实验，以获得标准响应或输出的一组数据。
通过与校准模式进行比较，可以确定系统的误差，并进行校准。
例如，可以使用已知角度的标准平台或旋转台进行角度校准。
此外，还可以使用数学模型进行校准。
通过建立数学模型，可以确定实验结果与系统误差之间的关系，并进行校准。
例如，可以使用回归分析或数学拟合等方法，将实验数据与数学模型进行比较，以确定系统的误差，并进行校准。
在光学实验技术中，角度测量和系统校准方法具有广泛的应用。
例如，在测量仪器的制造过程中，需要准确测量设备的角度，并校准仪器以确保测量结果的准确性。
此外，在光学成像和光学测量等领域中，角度测量和系统校准方法也起到了重要的作用。
基于激光实时跟踪测量的航天器编队相对位置测量方法
离增 大 ， 量精 度和 稳定性 都较 差 。 测
本文 提 出采 用激 光 实时跟 踪测 量 的方式 实现 编
队航 天器 间的相 对 位 置测 量 ， 通过 合 理 建 立 航 天 器 间 的相 对运 动模 型 和 相 对位 置测 量 数 学 模 型 ， 激 对 光跟踪 测量 系统 的测 量 值进 行 坐 标 转 换 ， 并对 转 换
法只适 用 于近距 离 航 天 器 相对 位 置 测 量 ， 作 用 距 随
由于 Ｇ Ｓ技 术 成 熟 ， 量 精 度 高 ， 泛 应 用 于 Ｐ 测 广 航天 器 和编 队航天 器 的导航 。文献 ［ ］ ４ 作者 在 Ｎ Ｓ ＡＡ
的编 队航 天器试 验平 台上 ， 用 Ｃ Ｇ Ｓ技 术 和 自适 采 ＤＰ
米量 级。
关键 词 ：激 光 跟踪 ；航 天 器 编 队 ；相 对 位 置 测 量 ；转 换 测 量 Ｋ ｌａ 滤 波 ａ ｎ ｍ
中 图分 类 号 ：Ｖ ４ ．２ ２ ９３ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：００１２ （（７ ０．９８０ １０．３ ８２０ ）４００．６ １
０ 弓 言 Ｉ
测 量 航 天 器 间相 对 位 置 的测 量 定 位 方 法 ， 立 了航 天 器 间 相 对 位 置 测 量 的数 学 模 型 。该 测 量 方 法 在 直 角 坐 标 系 下 建 用 Ｈｌ 程 建 立 编 队航 天器 相 对 运 动模 型 ， 出航 天 器 相 对 运 动 轨 迹 的 解 析 解 ， 极 坐 标 系 下 建 立 航 天 器 间 相 对 ｉ方 ｌ 得 在
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在进行实际测量当中，相机光轴位置无法确定， 无法保证图像坐标系与物体坐标系平行。只有通过它
h − [(l1 + ∆l1 ) 2 + (l2 + ∆l2 ) 2 − 2(l1 + ∆l1)(l2 + ∆l2 ) ⋅ cos(ψ + ∆ψ )]1/ 2 →min
1158
中南大学学报(自然科学版)
第 38 卷
1 航天器间相对角度测量的重要性
随着航天测控技术的发展，航天器空间站交会对 接，空间目标识别跟踪、逼近，清扫太空垃圾等任务 对获取航天器间的状态的实时性、稳定性及可靠性提 出了越来越高的要求。激光测距技术的不断发展和完 善，使得空间目标的斜距(雷达观测站到目标的直线距 离)测量能够达到很高的精度。但若要对空间目标进行
Abstract: Aiming at the measurement of relative angle between spacecrafts, a method based on monocular computer vision was put forward. Based on the imaging mode of perspective projection, an angle measurement was implemented through the geometric relation among the target 3D position parameters, image coordinates and system parameters. In order to test the precision of this method, a mathematic approach was put forward through the geometrical connection between the target and the camera. Key words: computer vision; angle measurement; azimuth angle measurement; altitude angle measurement
增刊 1
曾德贤，等：航天器相对角度光学测量方法
1157
们之间的实际几何关系来进行计算。
将被测目标用支架固定放置在有刻度的导轨上，
沿导轨移动被测目标；探测器(配 25 mm 镜头)采集被 测目标图像，测量出相对位置和姿态参数。
具体实验方法如下：
图 3 实验原型系统结构图 Fig.3 Structure of the testing system
收稿日期：2007−04−20 基金项目：国家重点基础研究资助项目(5131202−2) 作者简介：曾德贤(1978−)，男，甘肃民勤人，博士研究生，从事卫星导航与定位技术研究 通讯作者：曾德贤，男，博士研究生；电话：010-66364643; E-mail: zdxbean@
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摘 要：针对 2 颗航天器间相对角度测量，提出了基于单目计算机视觉的测量方测量系统参数之间的几何关系，实现对角度的测量。针对无法对测量精度进
行精确衡量的问题，通过测量系统空间几何关系，提出了一种数学计算方法，该方法简单易行。测量结果表明，
基于单目计算机视觉的航天器间相对角度测量方法的正确性与精确性。这种精度检测方法也可以广泛用于光学测
图 1 图像传感器成像模型示意图
Fig.1 Imaging model of sensor
其中 o − xyz 是固定在测量航天器上的相机坐标 系，原点 o 是相机成像中心，oz 轴与相机光轴重合并 指向场景，oy 轴垂直于 oz 轴向上，ox 轴与 oy 和 oz 轴 遵循右手法则。o′ − x′y′ 为像平面坐标系，其中 o′ 是光 轴与像平面的交点，一般位于像平面的中心， o′x′ 和 o′y′ 轴分别与相机坐标系中的 ox 轴和 oy 轴平行， o − o′ 的距离为相机的焦距 f 。 2.2 测角原理
图 2 测角系统结构图 Fig.2 Structure of angle measuring system
2.4 实验原型系统结构 实验原型系统的设计主要用于验证算法的正确
性，为此，本文作者采用普通计算机作为处理及控制 器，通过控制接口电路实现对图像数据的读入、处理 及存储。用配有 25mm 镜头的 Fuga1000 图像传感器 构成探测器。实验原型系统结构图如图 3 所示。
第 38 卷增刊 1 2007 年 8 月
中南大学学报(自然科学版) J. Cent. South Univ. (Science and Technology)
航天器相对角度光学测量方法
Vol.38 Suppl.1 Aug. 2007
曾德贤 1，董绪荣 2，李 睿 1
(1. 装备指挥技术学院 研究生院，北京 101416； 2. 装备指挥技术学院，北京 101416)
在系统结构设计，无论是光学成像系统的设计， 还是数据处理方法的设计，都应充分考虑各种误差源 可能产生的影响，尽可能避免、消除或补偿各种误差， 以提高测量精度。
图 4 测量系统实际几何关系 Fig.4 Geometrical connection of actual measuring system
设移动前目标航天器坐标原点为 (x0 , y0 , z0 ) ，则 方位角和高低角为
wd (x, y) = wg (x, y) ⋅ h(x, y)
其中： wd (x, y) 为得到的低分辨图像； wg (x, y) 为高 分辨率图像； h(x, y) 为光学系统的点扩散函数。
数据处理系统引入的误差主要是由图像分辨率、 噪声及算法所造成的特征提取误差。
利用实时图像增强处理算法，抑制杂波和噪声， 增强成像系统的探测能力和分辨能力，研究抗噪声强 和处理精度高的图像处理算法。
量系统的精度测算。
关键词：计算机视觉；角度测量；方位角测量；高低角测量
中图分类号：TP249; V556.5
文献标识码：A
文章编号：1672-7207(2007)S1−1155−04
Optical measurement for spacecraft relative angle
ZENG De-xian1, DONG Xu-rong2, LI Rui1
根据余弦公式有： h = l12 + l22 − 2l1l2 cosψ 由于 l1 ， l2 和ψ 存在误差，因此：
h − l12 + l22 − 2l1l2 cosψ ≠ 0
4 仿真方法及精度检验方法
2) 设 l1 ， l2 和ψ 的误差分别为 ∆l1 ， ∆l2 和 ∆ψ1 ， 则可以通过下式求最小值迭代出测量误差。
测量速度快。其核心器件为测量航天器光学相机，光
学相机与测量航天器本体的位置关系已知，并假设相
机坐标系与测量航天器坐标系相同。目标航天器上安
装有一激光发光管作为特征点，特征点在测量航天器
相机上成像后，从灰度图像中准确提取该点图像坐标，
利用角度计算公式即可求解出特征点相对于相机的偏
航角和俯仰角。测角系统结构图如图 2 所示。
准确定位，即确定出空间点目标在测量坐标系中的三 维空间位置，则必须对空间目标的方位角和高低角进 行高精度测量。
光学测角历来以其角高的测量精度备受重视。光 学测角方法由于具有非接触、高准确度和高灵敏度的 特点而倍受人们的重视。光学测角的基本方法[1]是利 用光学相机拍摄目标，然后对拍摄到的目标图像进行 处理，最后计算出目标的方位角和高低角。基于计算 机视觉技术的单帧图像分析方法[2−3]因其求解过程简
1) 在具有刻度的导轨上将被测目标移动 h ，测量 移动前、后的相对距离(基线长度)为 l1 和 l2 ，方位角 为 α1 和 α2，高低角为 β1 和 β2 ，计算两基线间夹角ψ 。 测量系统实际几何关系如图 4 所示。
统计算方法中需要进行三角函数运算，从而大大降低 了数据处理的速度。
从整个测量系统结构来看，影响测量系统精度的 误差因素包括探测器、光学成像系统及数据处理系统 等。
3 影响测量系统精度的因素及提高 精度的方法
理论上，只要能够从灰度图像中准确提取点目标 图像中心坐标 (x′, y′) ，根据相机镜头焦距和目标的图 像坐标就可以用三角法计算出目标在测量相机坐标系 中的方位角 α 和高低角 β 。但由于相机镜头焦距标称 值误差及相机光轴与 CCD 光敏面的垂直误差等因素 的影响，在计算中会产生相当大的误差。另外，在传
α1
=
arctan
x0 z0
，
β1
=
arctan
y0 z0
设移动后目标航天器坐标原点为 (x0′ , y0′ , z0′ ) ，则
方位角和高低角为
α2
=
arctan
x0′ z 0′
，
夹角ψ 为：
β2
=
arctan
y0′ z0′
cosΨ = cosα1 ⋅ cosα 2 ⋅ cos(β1 − β 2 ) + sin α1 ⋅ sin α 2
(1. Department of Postgraduate, The Academy of Equipment Command & Technology, Beijing 101416, China; 2. The Academy of Equipment Command & Technology, Beijing 101416, China)